UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA E DELLE TECNOLOGIE DELL INFORMAZIONE LAUREA TRIENNALE CORSO DI STUDI IN INGEGNERIA INFORMATICA Tecnologie informatiche per l automazione industriale QUADERNO DI APPUNTI E PROVE D ESAME Edito da: Francesco Erminio Di Fruscio Luca Gianfrancesco ANNO ACCADEMICO

2 1 INTRODUZIONE L automazione industriale è la disciplina che studia le metodologie e le tecniche che permettono il controllo di flussi di energia, di materiali, di informazioni necessarie alla realizzazione di processi produttivi, senza l intervento dell uomo. I benefici dell automazione sono: riduzione dei costi, miglioramento della qualità dei prodotti e utilizzo dello stesso impianto produttivo per prodotti diversi. Un sistema automatizzato è composto da: Processo fisico: combinazione di operazioni che agiscono su entità del mondo fisico cambiandone alcune caratteristiche. Riceve in ingresso materiali grezzi, energia ed informazioni. Produce in uscita materiali finiti, energia ed informazioni. Tramite i sensori le informazioni, convertite in grandezze elettriche, vengono inviate al sistema di controllo. Tramite attuatori, invece, riceve informazioni. Sistema di controllo: riceve informazioni sullo stato del processo dai sensori ed invia agli attuatori informazioni sulle azioni da compiere sul processo. Riceve, elabora ed invia informazioni, è quindi un sistema informatico. Sensore: trasforma la grandezza da misurare nella grandezza misurata. Attuatore: consente di agire sulle grandezze del processo. Un sistema di controllo prevede più dispositivi di controllo che comunicano tra loro attraverso delle reti di comunicazione e con il processo fisico. Le applicazioni, invece, modellano le funzionalità e possono essere personali (Applicazioni B e D) oppure distribuite (Applicazioni A e C). 2

3 Un dispositivo è un entità indipendente che realizza una o più applicazioni, limitato dalle interfacce che gli permettono di comunicare con l esterno. Ogni dispositivo deve contenere almeno una risorsa e almeno un interfaccia. Una risorsa è una suddivisione logica del software di un dispositivo che ha controllo delle sue operazioni. La sua funzione è accettare dati ed eventi, processarli e restituirli al mittente. Quindi un dispositivo di controllo industriale è un dispositivo per l elaborazione delle informazioni destinato al controllo dei processi fisici. 3

4 2 VARIABILI E TIPI DI VARIABILI Le variabili sono il mezzo con cui è possibile rappresentare i dati all interno del dispositivo. Oltre ai tipi già studiati in corsi precedenti, troviamo: TIME: esprime una durata temporale nel formato t# αd βh ϒm δs εms; DATE, TIME_OF_DAY, DATE_AND_TIME; ANY: la variabile può essere di qualsiasi tipo. N.B: requisito fondamentale è che i valori delle variabili non risultino ambigui, per questo è sempre prevista una inizializzazione. Nei programmi è sempre necessario dichiarare le variabili (con il costrutto VAR [ ] END_VAR) le quali possono essere: VAR_INPUT (variabili di ingresso, i loro valori devono essere forniti da unità esterne rispetto a quelle in cui sono definite e non sono modificabili), VAR_OUTPUT (variabili di uscita, i loro valori saranno scritti in variabili esterne all unità di programmazione), VAR_IN_OUT (variabili di ingresso-uscita, fanno riferimento all indirizzo di variabili esterne all unità di programmazione e sono da essa modificabili), VAR_GLOBAL (variabili globali), VAR_EXTERNAL (visibilità all esterno dell unità di programmazione) e VAR_ACCESS (variabili accessibili che programmi remoti possono indirizzare). Per accedere in un punto preciso della memoria si usa %ABxxx dove: 1. A: prefisso di locazione 2. B: prefisso di taglia 3. xxx: sono numeri interi, separati da punti, che determinano l indirizzo della locazione a cui si riferisce. Nella definizione della variabile è possibile aggiungere i seguenti attributi: RETAIN (valori conservati anche senza alimentazione), CONSTANT e AT (per allocare in una particolare locazione). 4

5 3 LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE TESTO STRUTTURATO: linguaggio di alto livello sviluppato per le applicazioni di automazione. L assegnazione si indica con :=, terminatore con ;, operatori aritmetici e di relazione hanno la stessa sintassi degli altri linguaggi, i costrutti si dichiarano con IF [ ] THEN [ ] END_IF, IF [ ] THEN [ ] ELSE [ ] END_IF, CASE [ ] OF [ ] ELSE [ ] END_CASE. I cicli si dichiarano con FOR [ ] TO [ ] BY [ ] DO [ ] END_FOR, WHILE [ ] DO [ ] END_WHILE e REPEAT [ ] UNTIL [ ] END_REPEAT, EXIT. LADDER DIAGRAM (linguaggio a contatti): è il più diffuso linguaggio di programmazione per i PLC (controllori a logica programmabile). La rete di linguaggio a contatti è delimitata a sinistra e a destra da due linee verticali (rung) che rappresentano le barre di alimentazione. Lo stato della barra di sinistra può essere supposto sempre on. Il contatto è un elemento che permette il flusso di energia verso destra in dipendenza dello stato di un bit cui è associato. I contatti disponibili sono: 1) Contatto normalmente aperto al quale è associata una variabile booleana il cui valore, se vero, assicura la continuità logica (elettrica); 2) Contatto normalmente chiuso -- \ -- negato del precedente; 3) Contatto a fronte di salita -- P -- il quale si chiude, permettendo il flusso di energia, solo quando il valore della variabile booleana associata passa da false a true; 4) Contatto a fronte di discesa -- N -- il quale si chiude, permettendo il flusso di energia, solo quando il valore della variabile booleana associata passa da true a false. Le bobine operano sui bit e agiscono sul valore della variabile booleana associata. Le bobine disponibili sono: 1) Bobina semplice --( )-- assegna alla variabile booleana associata il valore 1, altrimenti 0; 2) Bobina negata --(\)-- opera in maniera duale; 3) Bobina a memorizzazione SET (S)-- il valore 1 associato alla variabile booleana è conservato anche se la bobina è disalimentata; 4) Bobina a memorizzazione RESET --(R)-- il valore 0 associato alla variabile booleana è conservato anche se la bobina è disalimentata; 5) Bobina a fronte di salita --(P)-- assegna il valore 1 alla variabile booleana associata solo quando la sua alimentazione passa da assente a presente; 6) Bobina a fronte di discesa --(N)-- assegna il valore 1 alla variabile booleana associata solo quando la sua alimentazione passa da presente ad assente; 7) Bobine a ritenuta --(M)--, --(SM)-- e --(RM)-- che corrispondono rispettivamente alle bobine semplice, memorizzazione SET e memorizzazione RESET, ma implicitamente definiscono che la variabile booleana associata deve essere mantenuta in caso di mancanza di alimentazione. Troviamo poi istruzioni come --->>xxx che indica un salto a xxx e --<RETURN>-- per la terminazione di funzioni e blocchi funzionali. 5

6 FLIP-FLOP SET/RESET Una rete che implementa la memorizzazione dello stato di una variabile booleana in lista di istruzioni esprimibile come: u := NOT(r) AND (s OR u). In linguaggio a contatti: DIAGRAMMA A BLOCCHI FUNZIONALI: è un linguaggio grafico che consente di costruire programmi connettendo blocchi funzionali. E inoltre possibile costruire una rete di diagramma a blocchi funzionali connettendo uscite di un blocco a ingressi di un altro. E legale costruire anelli. La negazione è indicata con un cerchietto posto prima dell ingresso del blocco grafico. Il triangolo il fronte di salita, il negato del triangolo il fronte di discesa. LISTA ISTRUZIONI: è un linguaggio di basso livello basato su sequenze di istruzioni. Ogni istruzione è composta da un operatore e da un operando (OPERATORE [MODIFICATORE] OPERANDO). Gli operatori che troviamo sono: 1) LD: assegna all accumulatore il valore dell operando; 2) ST: assegna all operando il valore dell accumulatore; 3) S: pone variabile booleana a 1; 4) R: pone variabile booleana a 0; 5) AND, OR, XOR 6) ADD, SUB, MUL, DIV 7) GT, GE, EQ, NE, LE, LT: operatori di comparazione; 8) JMP 9) CAL: chiamata di un blocco funzionale; 10) RET: per realizzare il ritorno da una funzione o un bocco funzionale. I modificatori sono: 1) N: per la negazione; 2) ( : indica che la valutazione dell operatore deve essere fatta solo quando si trova la corrispondente ); 6

7 3) C: utilizzabile con JMP, CAL e RET, l esecuzione dell operatore è condizionata dal fatto che il valore corrente dell accumulatore è 1 (0 se negato); Esempio dei due linguaggi con Flip-Flop S/R: 7

8 4 UNITÀ DI ORGANIZZAZIONE DELLE PROGRAMMAZIONE Le POUs (program organization units) sono rappresentate da: funzioni, blocchi funzionali e programmi. Ogni POU è composta da: definizione del tipo di POU e nome, parte dichiarativa delle variabili e attributi, corpo del programma. FUNZIONI: dichiarate con il costrutto FUNCTION [ ] END_FUNCTION e possono essere implementate anche graficamente. Sono POU che, a partire dai valori di ingresso, calcolano un solo dato di uscita. Il dato di uscita è rappresentato dal nome della funzione stessa. Il risultato dell esecuzione non deve dipendere dallo stato di variabili interne, agli stessi ingressi deve corrispondere sempre lo stesso dato di uscita. Nel caso grafico è possibile controllare che la funzione sia eseguita con un ingresso booleano implicito chiamato EN, mentre con ENO, se true, la funzione esegue senza errori. Una funzione può contenere al suo interno solo chiamate ad altre funzioni, non a blocchi funzionali o programmi. Non è prevista la ricorsione. BLOCCHI FUNZIONALI: POUs nei quali i valori delle uscite non dipendono solo dai valori degli ingressi ma anche dal valore delle variabili interne. La definizione di un blocco funzionale avviene con il costrutto FUNCTION BLOCK nome_fb VAR_INPUT [ ] END_VAR VAR_OUTPUT [ ] END_VAR [ ] END_FUNCTION_BLOCK. La definizione grafica avviene tramite un blocco rettangolare con a sinistra i parametri di ingresso e a destra quelli di uscita. Può contenere chiamate ad altri blocchi funzionali o funzioni. Non è prevista la ricorsione. Per poterli utilizzare, viene creata un istanza del FB con un nome ed una struttura dati univoca. L utilizzatore devono essere accessibili solo i parametri di ingresso ed i parametri di uscita, non le variabili interne. L istanza di un FB ha la stessa visibilità di una variabile e come essa può essere data in ingresso a un altra POU. Lo standard prevede alcuni predefiniti come: Flip-Flop a priorità SET (SR), Flip-Flop a priorità RESET (RS), rivelatore sul fronte di salita e sul fronte di discesa, contatori e temporizzatori. CONTATORI: i contatori segnalano il raggiungimento di un valore di conteggio e possono essere: a incremento, a decremento e bidirezionali. 1) CU: ingresso sul cui fonte di salita il contatore viene incrementato; 2) CD: ingresso sul cui fronte di salita il contatore viene decrementato; 3) R: reset; 4) PV: valore di conteggio di ingresso, ovvero a quanto deve arrivare il conteggio; 8

9 5) LD: carica il contatore con il valore PV; 6) Q: segnala che il contatore ha finito il conteggio; 7) QD: segnala che il contatore bidirezionale ha raggiunto lo zero; 8) QU: segnala che il contatore bidirezionale ha raggiunto PV; 9) CV: valore raggiunto dal contatore. La particolare implementazione dovrà prevedere un limite massimo per il valore di conteggio PV assegnabile ad un contatore. Questo limite può essere superato usando i contatori in cascata. TEMPORIZZATORI: possono essere: timer a impulso, timer on delay e timer off delay. 1) IN: ingresso che fa partire la temporizzazione; 2) PT: valore di tempo da contare; 3) Q: uscita booleana su cui il temporizzatore agisce; 4) ET: tempo trascorso. Anche per i temporizzatori si può superare il limite massimo di conteggio utilizzandone vari in cascata (avremo un valore di conteggio pari alla somma dei singoli valori) o mettendo un contatore in cascata a un temporizzatore (avremo un valore di conteggio dato dal prodotto del valore dei due). PROGRAMMI: un programma rappresenta l insieme logico di elementi e costrutti dei linguaggi di programmazione necessari per il controllo di una macchina o di un processo. Un programma può avere definizioni di variabili direttamente rappresentate in memoria, può avere definizioni di variabili globali accessibili da blocchi funzionali interni, può definire variabili di accesso che altri programmi remoti possono indirizzare, non può contenere un istanza di sé stesso ma possono essere dichiarate solo a livello di risorsa. I programmi possono accedere alle variabili rappresentative degli ingressi e delle uscite fisiche del dispositivo per poi passarle o renderle accessibili alle altre unità di organizzazione in essi contenute. La definizione di un programma 9

10 avviene con il costrutto PROGRAM nome_pr VAR_INPUT [ ] END_VAR VAR_OUTPUT [ ] END_VAR [ ] END_PROGRAM. COMPITI (task): elemento capace di fare eseguire un programma o un blocco funzionale in maniera periodica o al verificarsi di eventi. Per definire un compito si possono utilizzare: 1) SINGLE: variabile booleana il cui fronte di salita rappresenta il verificarsi dell evento che causa un unica esecuzione del programma o del blocco funzionale; 2) INTERVAL: di tipo TIME che indica la durata del ciclo per un compito di tipo periodico; 3) NESSUN PARAMETRO: compito ciclico continuo; 4) PRIORITY: indica la priorità del compito. Per assegnare un programma o un blocco funzionale a un compito si usa la parola chiava WITH, oppure, in maniera grafica, scrivendo il nome del compito all interno del blocco. RISORSE: entità capace di eseguire programmi. La sua definizione prevede la parola chiave RESOURCE seguita da un nome identificativo, dalla parola chiave ON e dal tipo di processore su cui dovrà essere caricata. Successivamente vado a definire le variabili globali e ad accesso remoto, compiti e programmi (nel definire i programmi si assegnano anche le variabili di ingresso e uscita collegandole ad indirizzi di memoria corrispondenti a ingressi e uscite fisiche) che la compongono. Alla fine della definizione va posta la parola chiave END_RESOURCE. CONFIGURAZIONE: definizione di tutto il software e deve essere caricato in un dispositivo di controllo. Definisce il tipo di risorse a disposizione e alloca su di esse i programmi, indica la priorità e la modalità di esecuzione dei programmi e definisce le variabili globali accessibili da tutti i programmi. La sua definizione prevede la parola chiave CONFIGURATION con il nome assegnato e termina con END_CONFIGURATION. 10